/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО КУРСУ «Наноэлектроника»
«ДВУХКАНАЛЬНЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР»
ВЫПОЛНИЛ: Гусев Олег Александрович
ГРУППА: Эр-01-12
РУКОВОДИТЕЛЬ: Качанов В.К.
Москва,2015
1. Подготовка
1.1 Структурная схема устройства
Рисунок 1.Структурная схема двухканального квадратурного синхронного детектора
Итак, искомый сигнал, предварительно усиленный поступает на перемножители 1 и 4,генератор синусоидальных колебаний 2 выдает сигнал синхронный по частоте и амплитуде с искомым на перемножитель 1 а на перемножитель 4 опорный сигнал поступает через фазовращатель 3,который дает сдвиг фазы на 90° и соответственно если на перемножитель 1 поступает синусоида то на перемножитель 3 поступит функция косинуса, далее сигналы идут на фильтры низких частот 6 и 5,где отпадет высокочастотная составляющая перемноженного сигнала и далее сигналы возводятся в квадрат с помощью квадраторов 7 и 8, складываются на сумматоре 9 и в конце происходит извлечение корня.
2. Пояснительная записка по курсовому проекту
2.1 Расчет операционного усилителя LM358
Рисунок 2.Схема ОУ с инвертирующим входом
R2 = 5000 Ом ; R1=500 Ом;ОУ-LM358
На вход подан сигнал U(t)=Um*sin(wt+ц)
Известно что амплитуда Um=0.3В ; w=2pi*f,где f=100кГц
Чтобы найти сигнал на выходе нужно решить систему уравнений:
Fин(g1+g2)-Uвых*g2=Uвх*g1
Fнеин=0
Fинв=Fнеин
Uвых=-Uвх*R2/R1=-0.3В*5000/500=-3В
Амплитуда увеличивается в 10 раз и выходной сигнал U(t)=-3В*sin(wt+ц)
Рисунок 3.а) Входной сигнал. б) Выходной сигнал
2.2 Расчет фазовращателя
двухканальный квадратурный синхронный детектор
В качестве опорного сигнала используем сигнал с генератора и который будет равен
Uоп(t)=U*sin(wt)
На перемножителе 3 нам нужна функция косинуса поэтому используем фазовращатель.
Рисунок 3.Схема фазовращателя
Нужно изменить фазу сигнала на 90° и для этого нужно подобрать такие параметры схемы чтобы входное сопротивление Rвх равнялось реактивному сопротивлению конденсатора.
Uоп=3В*sin(wt)
Rвх=Xc
Rвх=1кОм
Xc=1/(2п*f*C) следовательно С=1/(2п*f*Xc)=1.592 нФ
Все остальные резисторы маркировки 1625984-3 с номинальным сопротивлением 10кОм.
Изменение фазы узнаем по формуле:
Ш=-2*arctg(2п*f*Rвх*C)=-90°
После фазовращателя опорный сигнал на перемножиель будет равен:
Uоп=3В*sin(wt-90°)=1*cos(wt)
2.3 Расчет перемножителей
В данной работе мне нужно было подобрать хороший аналоговый перемножитель, прочитав большое количество литературы я выделил для себя несколько наиболее простых способов перемножения сигналов.
1)микросхема на перемножителе 525пс1
2)микросхема на перемножителе 526пс1
3)526пс2
4)140ма1
5) Схемы АП с полевыми транзисторами в качестве управляемых сопротивлений.
6)Аналоговый перемножитель на основе принципа логарифматор-антилогарифматор.
Ввиду своей простоты устройства сначала я решил использовать именно 6-ой пункт.
Принцип расчета довольно прост:
Сначала искомый и опорный сигнал поступают на логарифматоры где выходные сигналы пропорциональны натуральному логарифму входных сигналов,далее сигналы суммируются в сумматоре и соответсвенно сумма натуральных логарифмов является логарифмом произведения двух сигналов.Далее сигнал идет на антилогарифматор где на выходе с помощью несложных расчетов получается произведение 2 сигналов.НО разобравшись с ним,оказалось что он работает в одном квадранте и поэтому я в дальнейшем использовал 526пс1 в котором перемножение происходит в четырех квадрантах.
Умножитель 526пс1.
Рисунок4.Упрощенная схема 526пс1
Выходное напряжение определяется формулой
Uвых = -Rн(i1 + i4)=-Rн(x*y*I+(1-x)(1-y)I-(1-y)xI-y(1-x)I)=-Rн*I*(2x-1)(2y-1)
Коэффициенты
x=1/2*(1+th(Ux/2цt )), y=1/2*(1+th(Uy/2цt ))
Uвых=-Rн*I* th(Ux/2цt)* th(Uy/2цt)
Для малых уровней входных напряжений выходное напряжение пропорционально произведению входных:
Uвых=-Rн/2цt *I*Ux* Uy
K==-Rн/2цt *I-масштабный коэффициент
В данном случае я взял нагрузку Rн=26 кОм
I=100мкА
цt=26мВ при T=20 градусов
соответственно
Uвых=Ux*Uy
2.5 Расчет фильтров низких частот
Рисунок 5.Схема фильтра низких частот
Амплитуда сигнала у нас до сих пор меньше 6В,поэтому можем дальше использовать ОУ LM358
При подаче синусоидального сигнала,форма не меняется,но уменьшается амплитуда.
Решим систему уравнений:
Fинв(g1+g2+jwC)-Uвых(g2+jwC)=Uвх/R1
Fнеин=0
Fинв=Fнеин
Uвых=-Uвх*R2/(R1(1+jwCR2))
R1=1 кОм резистор RNF14BAE1K04
R2=1 кОм резистор RNF14BAE1K04
C=1 нФ конденсатор TSF-40C
Uвых1=3.811*cos(ц)
Uвых2=3.811*sin(ц)
2.6 Расчет квадратора
Рисунок6.Схема квадратора
Схема данного квадаратора построена на умножителе 525пс1.
Квадратор устроен так, что при подаче на вход сигнала, выходной сигнал будет пропорционален квадрату входного.
Квадраторы работают с ошибками, но будем считать что он у нас уже настроен. Итак,у нас на входе:
Uвх1=3.811*cos(ц)
Uвх2=3.811*sin(ц)
На выходе будет получаться :
Uвых1=14.52*cos^2(ц)
Uвых2=14.52*sin^2(ц)
2.7 Сумматор
Рисунок 7.Схема сумматора
R1=R2=R3=2кОм
ОУ LM324
Чтобы просуммировать 2 сигнала нужно решить систему уравнений:
Fинв(g1+g2+g3)-Uвх(g1)-Uвх(g2)-Uвых(g3)=0
Fнеин=0
Fинв=Fнеин
-Uвх1*g1-Uвх2*g2-Uвых*g3=0
При равенстве R1=R2=R3
U=-(Uвх1+Uвх2)=- (14.52 * cos^2(ц)+ 14.52* sin^2(ц))=-14.52(cos^2(ц)+sin^2(ц))=-14.52 В
Извлечение корня.
На выходе у нас стоит схема позволяющая извлечь корень из сигнала:
Uвх=14.52 В и соответственно на выходе будет Uвых=3.811 В
Рисунок 8.Извлечение корня
В случае извлечения корня как и в случае с квадратором, схема работает не без ошибок и ее нужно настраивать. Путем надстроек можно добиться погрешности в 2%.
2.8 Промежуточный вывод
Итак на входе был гармонический сигнал а на выходе благодаря двухканальной структуре сигнал стал постоянным мы избавились от проблем связанных с изменением начальной фазы сигнала и на выходе устройства сигнал пропорционален входному сигналу.
Рисунок 9. а) Входной сигнал б) Выходной сигнал
3. Дополнение к пояснительной записке по курсовому проекту
3.1 Описание синхронного детектора
Перед тем как рассчитывать двухканальный квадратурный синхронный детектор я разобрался что же такое просто синхронный детектор, что он из себя представляет и зачем он нужен.
Итак, у нас есть 2 сигнала один из которых искомый сигнал, который представлен в виде U(t)=U*sin(wt+ц) а другой опорный сигнал который представлен в виде Uоп(t)=Usin(wt).
Так как детектор синхронный то у нас опорный сигнал синхронен по частоте и амплитуде с искомым.
Синхронное детектирование основано на операции умножения сигналов.
В случае, когда измеряемый и опорный сигналы синхронны, на выходе синхронного детектора присутствует постоянная составляющая. Амплитуда данной постоянной составляющей пропорциональна амплитуде входного сигнала и зависит от фазового сдвига входного сигнала относительно опорного сигнала. Т.е. в этом случае синхронный детектор работает подобно амплитудному детектору.
Синхронный детектор преобразует полезный переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя, в постоянный сигнал. Важной особенностью синхронного детектора является возможность выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех, значительно превышающих полезный сигнал по амплитуде.
При перемножении опорного и искомого сигнала у нас получаются на выходе умножителя низкочастотная и высокочастотная составляющие сигнала.
Для того чтобы не пропускать высокочастотную состаляющую,ставим фильтр низких частот(в данной работе использовал фнч на основе интегратора),и на выходе остается только низкочастотная составляющая которая в синхронном детекторе имеет постоянное значение и пропорционально только амплитуде входного сигнала.
Синхронный детектор обладает следующими свойствами, важными для обработки сигналов: - обладает чувствительностью к фазе и амплитуде измеряемого сигнала; - обладает высокой частотной избирательностью. Благодаря данным свойствам синхронное детектирование широко используется в технике связи, разнообразной измерительной аппаратуре, при проведении экспериментальных исследований. Типичным примером использования синхронного детектора является регистрация слабого сигнала от исследуемой системы на фоне шумов и помех. На систему в качестве тестового сигнала подается переменное воздействие от генератора. Слабый зашумленный отклик системы на данное воздействие усиливается и поступает на синхронный детектор. Опорным сигналом служит выход того же генератора. При необходимости компенсации фазового сдвига, возникающего в исследуемой системе, в цепь выходного сигнала системы или в цепь опорного сигнала включают фазовращатель - устройство, позволяющее регулировать фазу сигнала. Выделение сигнала из шума происходит за счет высокой частотной избирательности синхронного детектора. Может регистрироваться как амплитуда отклика, так и сдвиг фазы, возникающий в исследуемой системе. Для того, чтобы отказаться от необходимости подстройки фазового сдвига, можно воспользоваться двумя синхронными детекторами, опорные напряжения которых взаимно сдвинуты на 90°. В этом случае напряжения на выходах синхронных детекторов будут представлять собой квадратурные составляющие входного измеряемого напряжения.
3.2 Применение синхронного детектора при оптимальной фильтрации сложномодулированных сигналов
При использовании сложномодулированных сигналов с последующим их сжатием во времени в оптимальном фильтре УЗ эхо-сигналы представляют собой радиоимпульс, что не всегда позволяет точно определить временное положение эхо-сигнала. По этой причине целесообразно представление результатов контроля в виде видеоимпульсов.
В традиционной дефектоскопии преобразование радиоимпульса в видеоимпульс осуществляется преимущественно с помощью амплитудного детектирования, однако условия выделения УЗ эхо-сигналов из белого шума при контроле изделий с большим затуханием сигналов, требуют использования синхронного детектирования эхо-сигнала, так как при синхронном детектировании не ухудшается отношение сигнал/шум.
Суть синхронного детектирования заключается в переносе спектра сигнала в область нулевых частот, при этом в отличие от амплитудного детектирования сохраняется информация, содержащаяся в фазе сигнала. Принцип действия синхронного детектора (СД) можно с некоторым упрощением свести к умножению входного сигнала со случайной начальной фазой на опорное напряжение, частота которого строго совпадает (синхронна) с частотой входного сигнала , с последующей фильтрацией высокочастотных составляющих в фильтре нижних частот (ФНЧ).
После перемножения получается сигнал:
(4)
На выходе ФНЧ сигнал не содержит несущую частоту и имеет вид :
(5)
Выражение (5) определяет работу устройства под названием «фазовый детектор»: выходное напряжение на выходе фазового детектора пропорционально входному сигналу V1, опорному напряжению VОП и косинусу сдвига фазы ц1 между входным и опорным сигналами. Для того чтобы устранить неопределенность в амплитуде эхо-сигнала, возникающую из-за неизвестной начальной фазы сигнала, используют схему двухканальной квадратурной обработки, в которой обработка сигнала с начальной фазой ведется в двух параллельных каналах с опорными сигналами и . После перемножения и фильтрации в каждом канале сигналы возводятся в квадрат, а затем суммируются. Выходной сигнал на выходе сумматора не зависит от начальной фазы:
Сигнал после схемы извлечения квадратного корня пропорционален входному сигналу.
Так при данном расчете на входе СД был сигнал U(t)=3*sin(wt+ц) а на выходе получилось U=3.811В
3.3 Применение синхронного детектора для выделения сигналов из узкополосной помехи
Применение СД для выделения полезного сигнала из узкополосной помехи. а) сигнал и помеха; б) опорный сигнал що; в) сигнал на выходе СД
Итак у нас есть сигнал с определенной амплитудой и частотой, также на рисунке видим спектр опорного сигнала.
На более высокой частоте присутствует помеха.
На графике (в) видим спектр сигнала после перемножения, амплитуда спектра увеличилась и благодаря фильтру низких частот у нас спектр сигнала переносится в область нулевых частот и помехи на высоких частотах подавляются.
Например, помеха появляется на частоте 2МГц, на выходе синхронного детектора эта помеха, при частоте опорного сигнала 628кГц,будет на частоте 1.372МГц а граничная частота будет в любом случае меньше.
Вывод
В итоге делая данный проект я отметил, что синхронный детектор позволяет решать целый комплекс проблем, которые не могут быть решены в традиционной дефектоскопии, использующей простые немодулированные сигналы без дополнительных обработок. Итак, мы преобразуем входной радиоимпульс в видеоимпульс который позволяет оценить временное положение ультразвукового эхо-сигнала, позволяет избавиться от помех на высоких частотах.
Приложение
имя |
маркировка |
колличество |
номинал |
Фирма |
|
R |
42J500E |
1 |
500 Ом |
Panasonic |
|
R |
TEH70M5K00JE |
1 |
5000 Ом |
Ohmite |
|
Rвх |
СП3-16Б |
1 |
1..3 кОм |
||
R |
CMF501K9600FHEB |
4 |
75кОм |
Panasonic - ECG |
|
R |
RNF14BAE1K04 |
4 |
1kOm |
Panasonic - ECG |
|
R |
ERD-S2TJ103V |
3 |
10kOm |
Panasonic - ECG |
|
R |
ERO-S2PHF5101 |
3 |
5.1kOm |
Panasonic - ECG |
|
R |
ERD-S2TJ822V |
6 |
22kOm |
Panasonic - ECG |
|
R |
W21-3K3JI |
3 |
2kOm |
Panasonic - ECG |
|
R |
CFM14JT9K10 |
2 |
9.1кОм |
Panasonic - ECG |
|
R |
ERD-S2TJ682V |
3 |
7.5кОм |
Panasonic - ECG |
|
C |
К15-5 |
1 |
1.592нФ |
Платан |
|
C |
TSF-40C |
2 |
1нФ |
Panasonic |
|
C |
ECQ-U2A104ML |
16 |
0.1мкФ |
Panasonic |
|
С |
B32520C3104K |
4 |
10мкФ |
Panasonic |
|
ОУ |
LM-358 |
4 |
|||
ОУ |
LM-324 |
1 |
|||
526пс1 |
2 |
Литература
Общая литература:
1.Качанов В.К., Соколов И.В., Федоров М.Б, Концов Р.В.- ПРИМЕНЕНИЕ СИХРОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ С БОЛЬШИМ ИНТЕГРАЛЬНЫМ ЗАТУХАНИЕМ СИГНАЛОВ.
2.В.Т.Поляков-Радиолюбителям о технике прямого преобразования.
3.С.И.Баскаков-Радиотехнические цепи и сигналы, третье издание.
4.Н.Н.Буга,А.И.Фалько,Н.И.Чистяков-Радиоприемные устройства.
5.И.С.Гоноровский-Радиотехнические цепи и сигналы.
6.Проектирование радиоприёмных устройств. Под ред. А.П. Сиверса.
7.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. С.В. Якубовский, В.И. Кулешова, Л.И. Ниссельсон.
8.В.Г.Гусев,Ю.М.Гусев-Электроника и микропроцессорная техника.
9. Херпи, М. Аналоговые интегральные схемы
10. Тимонтеев, В.Н.. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре.
Патенты:
1. В.В. Кандыбин и М.П. Федоринчик-Синхронный детектор
2.А.А. Иваннив, С.Г. Романюк и В.М. Сакаль-Синхронный детектор.
3.М.В.Иванчик-Синхронный амплитудный детектор.
Дополнительная литература:
1.А. А. Черторийский- СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ. Методические указания к лабораторным работам.
2.Г.И. Кузин, А.Ф. Павлов- Модуляция и демодуляция.
3.А.В. Степанов-Синхронный детектор.
4.Орлов С.В- АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР. Методические указания по выполнению лабораторной работы.
Интернет-ресурсы:
1.http://www.techsolid.ru/solievs-324-1.html
2.http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=118553
3.http://www.freepatent.ru/patents/2222099
4.http://electroshema.com/data/tom5/264.php